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稱重傳感器的原理及應用

　　隨著技術的進步,由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應用到各行各業,實現了對物料的快速、準確的稱量，特別是隨著微處理機的出現，工業生產過程自動化程度化的不斷提高，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計測以及吊車秤、汽車秤等計測控制，到混合分配多種原料的配料系統、生產工藝中的自動檢測和粉粒體進料量控制等，都應用了稱重傳感器，目前，稱重傳感器幾乎運用到了所有的稱重領域。

1．高速定量分裝系統

    本系統由微機控制稱重傳感器的稱重和比較，并輸出控制信號，執行定值稱量，控制外部給料系統的運轉，實行自動稱量和快速分裝的任務。

    系統采用MCS-51單片機和V/F電壓頻率變換器等電子器件，其硬件電路框圖如圖1所示，用8031作為中央處理器，BCD拔碼盤作為定值設定輸入器，物料裝在料斗里，其重量使傳感器彈性體發生變形，輸出與重量成正比的電信號，傳感器輸出信號經放大器放大后，輸入V/F轉換器進行A/D轉換，轉換成的頻率信號直接送入8031微處理器中，其數字量由微機進行處理。微機一方面把物重的瞬時數字量送入顯示電路，顯示出瞬時物重，另一方面則進行稱重比較，開啟和關閉加料口、放料于箱中等一系列的稱重定值控制。

  圖1 原理框圖

　　在整個定值分裝控制系統中，稱重傳感器是影響電子秤測量精度的關鍵部件，選用GYL-3應變式稱重測力傳感器。四片電阻應變片構成全橋橋路，在所加橋壓U不變的情況下，傳感器輸出信號與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比，而且，供橋橋壓U的變化直接影響電子稱的測量精度，所以要求橋壓很穩定。毫伏級的傳感器輸出經放大后，變成了0-10V的電壓信號輸出，送入V/F變換器進行A/D轉換，其輸出端輸出的頻率信號加到單片機8031定時器1的計數、輸入端T1上。在微機內部由定時器0作計數定時，定時器0的定時時間由要求的A/D轉換分辯率設定。定時器1的計數值反映了測量電壓大小即物料的重量。在顯示的同時，計算機還根據設定值與測量值進行定值判斷。測量值與給定值進行比較，取差值提供PID運算，當重量不足，則繼續送料和顯示測量值。一旦重量相等或大于給定值，控制接口輸出控制信號，控制外部給料設備停止送料，顯示測量終值，然后發出回答令，表示該袋裝料結束，可進行下袋的裝料稱重。

 圖2 自動稱重和裝料裝置

　　圖2所示為自動稱重和裝料裝置。每個裝料的箱子或袋子沿傳送帶運動，直到裝有料的電子稱下面，傳送帶停止運動，電磁線圈2通電，電子稱料斗翻轉，使料全部倒入箱子或袋子中，當料倒完，傳送帶馬達再次通電，將裝滿料的箱子或袋子移出，并保護傳送帶繼續運行，直到下一次空袋或空箱切斷光電傳感器的光源，與此同時，電子稱料箱復位，電磁線圈1通電，漏斗給電子秤自動加料，重量由微機控制，當電子秤中的料與給定值相等時，電磁線圈1斷電，彈簧力使漏斗門關上。裝料系統開始下一個裝料的循環。當漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多時，這個過程可以持續不斷地進行下去。必要時，*作人員可以隨時停止傳送帶，通過拔碼盤輸入不同的給定值，然后再啟動，即可改變箱或袋中的重量。本系統選用不同的傳感器，改變稱重范圍，則可以用到水泥、食糖、面粉加工等行業的自動包裝中。

2．傳感器在商用電子秤中的應用

    目前，商用電子計價秤的使用非常普及，逐漸會取代傳統的桿稱和機械案秤。電子計價秤在秤臺結構上有一個顯著的特點：一個相當大的秤臺，只在中間裝置一個專門設計的傳感器來承擔物料的全部重

   圖3 計價秤內部結構示意圖

量，如圖3所示。常用的電子計價秤傳感器的結構如圖4所示，其中圖4（a）為雙連橢圓孔彈性體，秤盤用懸臂梁端部上平面的兩個螺孔緊固；圖4（b）為梅花型四連孔彈性體，秤盤用懸臂梁端部側面的三個螺孔堅固，中間支桿上粘貼補償用的應變片。這兩種形式的傳感器，在計價秤中用得最多。圖4（c）為三梁式彎曲彈性體，采樣彎曲應力，對重量反應敏感，宜用來制作小稱量計價秤。圖4（d）為三梁式剪切彈性體，采樣中間敏感梁的剪切應力，宜用來制作幾百公斤稱量范圍計價秤。

 圖4 計價秤用彈性體結構

　　用這些復梁型高精度傳感器來支承一個大的稱重平臺，被稱重物又可能放置在任何稱臺的任意位置上，必然會產生四角示值誤差，對圖4（a），（b）兩種結構形式的傳感器，可通過銼磨的形式進行角差修正。對圖4(c)，(d)，它有上下兩根局部削弱的柔性輔助梁，使傳感器對側向力、橫向力和扭轉力矩具有很強的抵抗能力，可以通過銼磨輔助梁的柔性部位來調整傳感器的靈敏系數和四角誤差。圖5為一種商用電子計價秤的電路框圖。傳感器采用的是圖4（b）所示的梅花型四連孔結構，該秤具有置零、自動清除單價、零位自動跟蹤、自動去皮、次數累計和金額累計、打印輸出等功能，7段綠色熒光數碼管顯示，使用十分方便。

圖5 電子計價秤的電路框圖

　　圖6是采用CHBL3型號S型雙連孔彈性體稱重傳感器制作的便攜式家用電子手提秤的原理圖，由稱重傳感器、放大電路、A/D轉換和液晶顯示四部分組成。圖中，E為9V的疊層電池，R1-R4是稱重傳感器的4個電阻應變片，R5、R6與W1組成零點調整電路。當載荷為零時，調節RW1使液晶顯示屏顯示為零。A1，A2為雙運放集成電路LM358中的兩個單元電路，組成了一個對稱的同相放大器，A/D轉換器采用ICL7106雙積分型A/D轉換器，液晶顯示采用3 1/2液晶顯示片。該電子秤精度高，簡單實用，攜帶方便。
稱重傳感器是一種高精度的傳感器，必須按規定的規格使用。若不按規定的規格使用，不僅不能發揮稱重的作用，而且容易損壞，尤其是絕對不準超過負荷安全值使用。

 
圖6 手提秤的電路框圖

　　對于因溫度變化對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應變片，也會因應變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進行溫度補償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當溫度系數的自動補償片，并從外部對它加以適當的補償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。產生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結構設計決定，通過線性補償，也可得到改善。滯后和蠕變是關于應變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規定的溫度范圍內使用。在露天下使用傳感器，還應考慮陽光直射產生的溫度影響和風壓的影響。

　　以上資料為國內目前稱重傳感器的基本情況。而目前較為先進的稱重傳感器（高頻響，高精度，高量程）其工作原理及電氣則有很大不同，比如，應用在水下的稱重傳感器就有天壤之別。